基于GPRS-Internet無線遠程監控的換熱站計算機控制系統

沈 磊，郭西進，苑存超

SHEN Lei, GUO Xi-jin, YUAN Cun-chao

（中國礦業大學 信息與電氣工程學院，徐州 221008）

0 引言

隨著我國經濟建設的不斷發展，人們對生活質量的追求勢必有所提高。在北方的冬季，城市供暖已經成為人們冬季生活的重要組成部分。集中供暖是我國目前廣泛使用的供暖方式，它能夠減少對環境的污染，充分有效地利用能源，

由于部分城市供熱系統規模的不斷擴大，對熱能的利用率和設備運轉的問題日益突出，整個供熱系統的控制和管理也日趨復雜。因此，采用工業控制技術對熱交換站實現過程控制和監控管理已成為必然的趨勢。

1 系統的總體設計

根據該換熱站實際的控制要求，對其進行以下的設計和改造：在控制現場，通過室外溫度傳感器對室外溫度的采集，將溫度信號傳給下位機——OCS控制器，完成對現場的數據采集及過程控制，實現了對換熱站的過程控制?，F場控制系統的方框圖如圖1所示；在監控中心，由現場的DTU設備通過GPRS-Internet網絡傳輸過來的數據和設備的運行狀況將出現在監控計算機中，工作人員將根據實時的數據對換熱站進行必要的調度及對有效數據的存儲。遠程監控系統結構如圖2所示。

圖1 系統控制的方框圖

圖2 遠程監控系統

1.1 現場工藝流程

如圖3所示，通過室外的溫度傳感器所采集的室外溫度傳送到控制器，通過控制器來對調節閥的開度進行控制，控制蒸汽流量，通過熱交換器實現給用戶供熱；同時根據室外溫度及用戶的需求量，控制器對變頻器的及時控制，產生一定的節能效果。當二次回水的水量不夠時，通過補水箱對其補水。而熱交換器產生的冷凝水直接流入補水箱進行補充。

圖3 工藝流程

1.2 PID控制

OCS控制器在PID調節上有一項特殊的功能——自學習功能。自學習功能集成了模糊PID適應性強和控制靈活的特點，運用十分廣泛。啟用自學習功能必須將PID調節設置在自動調節上。在啟動該系統前，可將PID調節的參數在其數據范圍內任意設定初值；啟動該系統后，OCS控制器根據傳感器的信號，在參數的范圍內來回振蕩幾次，自動捕捉到最理想的調節參數，體現了適應性強的特點，能夠適應現場條件的變化。

1.3 循環泵變頻控制

利用OCS控制器與變頻器進行串行通信，解決循環泵始終以一成不變的轉速進行工作，能夠節約一定的能量消耗。通過ModbusRTU通訊協議和RS-485的通訊方式實現OCS控制器與變頻器進行通信。利用二次供水和二次回水的壓力差，即啟動第一臺循環泵讓其在變頻狀態下工作，如果它的滿量程輸出也不夠要求的話，啟動第二臺循環泵，讓其在變頻下工作，將第一臺切換成工頻下工作。

系統通過OCS控制器來控制變頻器，通過變頻器適時適量地控制循環泵電機的轉速來調節循環泵的輸出流量，滿足供暖的負荷要求，從而使電機在整個負荷和變化過程中的能量消耗降低到最小程度，產生一定的節能效果。

2 系統的硬件設計

在換熱站現場，將現場的儀器儀表與OCS控制器，形成一套溫度自動調節的控制系統。在監控中心，工作人員根據工控機中數據的變化和設備的運行狀況，對現場的設備和采集的數據進行必要的調度和管理。

1）換熱控制柜：內置控制器選用美國HORNER公司研發的XL系列的XL6-HEXL105型OCS控制器，選用了SmartSttix I/O模塊，24V開關電源模塊，斷路器模塊等。

2）傳感器、執行器、變頻器的選型：室外的溫度傳感器選用VTH4型掛壁式溫度傳感器，現場的溫度傳感器選用EX-VT1051型溫度傳感器，現場的壓力傳感器選用DT20-1111型壓力傳感器，現場執行器選用西門子AcvatixTM型執行器，變頻器選用西門子MicroMaster440型變頻器。

3）工控機選型：研華P4工控機兩臺，512MB內存，80G硬盤。

3 系統的軟件設計

3.1 程序設計

1）模擬量輸入子程序：將室外溫度傳感器和現場的溫度傳感器、壓力傳感器所采集的數據經過轉化分別傳送到OCS控制器所對應分配的寄存器中，并通過上位機進行實時顯示。

2）溫度設定值子程序：事先將設定溫度值分成幾個溫度區間，這樣室外溫度傳感器采集的溫度值就能對應相應的溫度區間，從而將采集的溫度值傳送給OCS控制器所對應分配的寄存器中。

3）通用管理子程序：系統管理程序，如控制器電池電量過低提示，鎖定System鍵等。

4）PID控制子程序：設定PID所在寄存器的初始狀態及其初始值，自學習功能運行前后的一些參數設定。

5）模擬量輸出子程序：將PID調節后的控制值作為最后模擬量的輸出。

6）報警子程序：設定各參數的警界值，一旦超過警界值，系統立刻觸發報警。

7）DTU子程序：設定控制器的通訊端口以及一些基本的通訊參數。

3.2 組態監控界面的設計

利用紫金橋組態軟件對熱交換站自動控制系統進行監控，其主界面如圖4所示。

對二次供水溫度及二次供水壓力繪制歷史趨勢曲線，此時溫度的設定值為75℃，二次供水的實際溫度值為74.3℃，如圖5所示。

圖4 換熱站主界面

圖5 實時趨勢曲線

4 GPRS-Internet無線通訊

系統采用現場的DTU通過GPRS-Internet網絡實現換熱站現場與監控中心之間的無線遠程通訊，為了保證兩者之間能夠長時間的實時通訊，除了保證網絡的通常外，還必須進行動態域名解析。

所謂的動態域名解析就是將動態的IP地址映射到一個固定的域名解析服務上（DDNS）。需要登錄域名網站中申請一個可用的域名；打開監控中心所在的路由器軟件里的虛擬服務器界面，在連接監控電腦所在的路由端口中輸入正確的服務端口、局域網IP地址以及通訊協議，如圖6所示；在DDNS界面中，正確輸入服務提供者，用戶名及其密碼，點擊激活，如圖7所示。由此，動態域名解析完畢。

換熱站現場與監控中心進行實時通訊時，首先打開GFS中測控終端設置軟件，對DTU的一些基本參數進行定義，如波特率、校驗位、數據位等；在連接方式中選擇動態DNS，將DNS域名和服務器IP設置好；最后將協議類型、目標端口和序號設置好，如圖5-3所示。在紫金橋組態軟件中，定義設備名稱、端口及控制器的地址，并將計算機的通訊端口COM1設置的波特率、校驗和通訊模式等功能與控制的相一致，然后再定義程序中的各個變量，并在畫面中進行動畫連接。最后運行組態的畫面和啟用DTU的通訊功能，就能夠在監控中心的工控機上顯示現場的設備的運行情況和數據變化。

圖6 虛擬服務器界面

圖7 DDNS界面

5 結束語

在控制上，OCS控制器集成了PLC、I/O、HMI、通訊于一體，能夠根據現場傳感器傳輸的信號做出必要的控制指令，從而保證了整個系統的穩定運行；在通訊上，利用GPRS-Internet的無線遠程監控，保證了現場數據的實時傳輸以及必要的設備調度，也減少了人力資源的浪費，降低了運營的成本。通過在現場一段時間的運行，該系統穩定、可靠，有一定的實踐推廣價值。

圖8 GFS測控終端的設置

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